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Module 1. Advanced Thermodynamics 

1.1. Formalism of Thermodynamics 

1.1.1. Laws of Thermodynamics 
1.1.2. The Fundamental Equation 
1.1.3. Internal Energy: Euler's Form 
1.1.4. Gibbs-Duhem Equation 
1.1.5. Legendre Transformations 
1.1.6. Thermodynamic Potentials 
1.1.7. Maxwell's Relations for a Fluid 
1.1.8. Stability Conditions 

1.2. Microscopic Description of Macroscopic Systems I 

1.2.1. Microstates and Macrostates: Introduction 
1.2.2. Phase Space 
1.2.3. Collectivities 
1.2.4. Microcanonical Collectivity 
1.2.5. Thermal Equilibrium 

1.3. Microscopic Description of Macroscopic Systems II 

1.3.1. Discrete Systems 
1.3.2. Statistical Entropy 
1.3.3. Maxwell-Boltzmann Distribution 
1.3.4. Pressure 
1.3.5. Effusion 

1.4. Canonical Collectivity 

1.4.1. Partition Function 
1.4.2. Ideal Systems 
1.4.3. Energy Degeneration 
1.4.4. Behavior of the Monoatomic Ideal Gas at a Potential 
1.4.5. Energy Equipartition Theorem 
1.4.6. Discrete Systems 

1.5. Magnetic Systems 

1.5.1. Thermodynamics of Magnetic Systems 
1.5.2. Classical Paramagnetism 
1.5.3. ½ Spin Paramagnetism 
1.5.4. Adiabatic Demagnetization 

1.6. Phase Transitions 

1.6.1. Classification of Phase Transitions 
1.6.2. Phase Diagrams 
1.6.3. Clapeyron Equation 
1.6.4. Vapor-Condensed Phase Equilibrium 
1.6.5. The Critical Point 
1.6.6. Ehrenfest's Classification of Phase Transitions 
1.6.7. Landau's Theory 

1.7. Ising's Model 

1.7.1. Introduction 
1.7.2. One-Dimensional Chain 
1.7.3. Open One-Dimensional Chain 
1.7.4. Mean Field Approximation 

1.8. Real Gases 

1.8.1. Comprehensibility Factor. Virial Development 
1.8.2. Interaction Potential and Configurational Partition Function
1.8.3. Second Virial Coefficient 
1.8.4. Van der Waals Equation 
1.8.5. Lattice Gas 
1.8.6. Corresponding States Law 
1.8.7. Joule and Joule-Kelvin Expansions 

1.9. Photon Gas 

1.9.1. Boson Statistics Vs. Fermion Statistics 
1.9.2. Energy Density and Degeneracy of States 
1.9.3. Planck Distribution 
1.9.4. Equations of State of a Photon Gas 

1.10. Macrocanonical Collectivity 

1.10.1. Partition Function 
1.10.2. Discrete Systems 
1.10.3. Fluctuations 
1.10.4. Ideal Systems 
1.10.5. The Monoatomic Gas 
1.10.6. Vapor-Solid Equilibrium 

Module 2. Meteorology and Climatology 

2.1. General Structure of the Atmosphere 

2.1.1. Weather and Climate 
2.1.2. General Characteristics of the Earth's Atmosphere 
2.1.3. Atmospheric Composition 
2.1.4. Horizontal and Vertical Structure of the Atmosphere 
2.1.5. Atmospheric Variables  
2.1.6. Observing Systems 
2.1.7. Meteorological Scales  
2.1.8. Equation of State 
2.1.9. Hydrostatic Equation 

2.2. Atmospheric Motion 

2.2.1. Air Masses 
2.2.2. Extratropical Cyclones and Fronts 
2.2.3. Mesoscale and Microscale Phenomena 
2.2.4. Fundamentals of Atmospheric Dynamics 
2.2.5. Air Motion: Apparent and Real Forces 
2.2.6. Equations of Horizontal Motion 
2.2.7. Geostrophic Wind, Friction Force and Gradient Wind 
2.2.8. Atmospheric General Circulation 

2.3. Radioactive Energy Exchange in the Atmosphere 

2.3.1. Solar and Terrestrial Radiation 
2.3.2. Absorption, Emission and Reflection of Radiation 
2.3.3. Earth-Atmosphere Radioactive Exchanges 
2.3.4. Greenhouse Effect 
2.3.5. Radiative Balance at the Top of the Atmosphere 
2.3.6. Radiative Forcing of the Climate 

2.3.6.1. Natural and Anthropogenic Climate Forcing 
2.3.6.2. Climate Sensitivity 

2.4. Thermodynamics of the Atmosphere 

2.4.1. Adiabatic Processes: Potential Temperature 
2.4.2. Stability and Instability of Dry Air 
2.4.3. Saturation and Condensation of Water Vapor in the Atmosphere 
2.4.4. Rise of Moist Air: Saturated and Pseudoadiabatic Adiabatic Evolution 
2.4.5. Condensation Levels 
2.4.6. Stability and Instability of Humid Air 

2.5. Cloud Physics and Precipitation 

2.5.1. General Cloud Formation Processes 
2.5.2. Cloud Morphology and Classification 
2.5.3. Cloud Microphysics: Condensation Nuclei and Ice Nuclei 
2.5.4. Precipitation Processes: Rain, Snow and Hail Formation
2.5.5. Artificial Modification of Clouds and Precipitation 

2.6. Atmospheric Dynamics 

2.6.1. Inertial and Non-Inertial Forces 
2.6.2. Coriolis Force 
2.6.3. Equation of Motion 
2.6.4. Horizontal Pressure Field 
2.6.5. Pressure Reduction at Sea Level 
2.6.6. Horizontal Pressure Gradient 
2.6.7. Pressure-Density 
2.6.8. Isohipsas 
2.6.9. Equation of Motion in the Intrinsic Coordinate System 
2.6.10. Horizontal Frictionless Flow: Geostrophic Wind, Gradient Wind 
2.6.11. Friction Effect 
2.6.12. Wind at Height 
2.6.13. Local and Small-Scale Wind Regimes 
2.6.14. Pressure and Wind Measurements 

2.7. Synoptic Meteorology 

2.7.1. Baric Systems 
2.7.2. Anticyclones 
2.7.3. Air Masses 
2.7.4. Frontal Surfaces 
2.7.5. Warm Fronts 
2.7.6. Cold Front 
2.7.7. Frontal Depressions. Occlusion Occluded Front 

2.8. General Circulation 

2.8.1. General Characteristics of the General Circulation 
2.8.2. Surface and Overhead Observations 
2.8.3. Single-Cell Model 
2.8.4. Tricellular Model 
2.8.5. Jet Streams 
2.8.6. Ocean Currents 
2.8.7. Ekman Transport 
2.8.8. Global Distribution of Precipitation 
2.8.9. Teleconnections. El Niño Southern Oscillation. The North Atlantic Oscillation 

2.9. Climate System 

2.9.1. Climate Classifications 
2.9.2. Köppen Classification 
2.9.3. Components of the Climate System 
2.9.4. Coupling Mechanisms 
2.9.5. Hydrological Cycle 
2.9.6. Carbon Cycle 
2.9.7. Response Times 
2.9.8. Feedback 
2.9.9. Climate Models 

2.10. Climate Change 

2.10.1. Concept of Climate Change 
2.10.2. Data Collection. Paleoclimatic Techniques 
2.10.3. Evidence of Climate Change. Paleoclimate 
2.10.4. Current Global Warming 
2.10.5. Energy Balance Model 
2.10.6. Radiative Forcing 
2.10.7. Causal Mechanisms of Climate Change 
2.10.8. General Circulation Models and Projections 

Module 3. Thermodynamics of the Atmosphere 

3.1. Introduction 

3.1.1. Thermodynamics of the Ideal Gas 
3.1.2. Laws of Conservation of Energy 
3.1.3. Laws of Thermodynamics 
3.1.4. Pressure, Temperature and Altitude 
3.1.5. Maxwell-Boltzmann Distribution of Velocities 

3.2. The Atmosphere 

3.2.1. The Physics of the Atmosphere 
3.2.2. Air Composition 
3.2.3. Origin of the Earth's Atmosphere 
3.2.4. Atmospheric mass Distribution and Temperature 

3.3. Fundamentals of Atmospheric Thermodynamics 

3.3.1. Equation of State of Air 
3.3.2. Humidity Indices 
3.3.3. Hydrostatic Equation: Meteorological Applications 
3.3.4. Adiabatic and Diabatic Processes 
3.3.5. Entropy in Meteorology 

3.4. Thermodynamic Diagrams 

3.4.1. Relevant Thermodynamic Diagrams 
3.4.2. Properties of Thermodynamic Diagrams 
3.4.3. Emagrams 
3.4.4. Oblique Diagram: Applications 

3.5. Study of Water and its Transformations 

3.5.1. Thermodynamic Properties of Water 
3.5.2. Phase Transformation in Equilibrium 
3.5.3. Clausius-Clapeyron Equation 
3.5.4. Approximations and Consequences of the Clausius-Clapeyron Equation 

3.6. Condensation of Water Vapor in the Atmosphere 

3.6.1. Phase Transitions of Water 
3.6.2. Thermodynamic Equations of Saturated Air 
3.6.3. Equilibrium of Water Vapor with Water Droplets: Kelvin and Köhler Curves 
3.6.4. Atmospheric Processes that Give Rise to Water Vapor Condensation     

3.7. Atmospheric Condensation by Isobaric Processes 

3.7.1. Dew and Frost Formation 
3.7.2. Formation of Radiative and Advection Fogs 
3.7.3. Isoenthalpic Processes 
3.7.4. Equivalent Temperature and Wet Thermometer Temperature 
3.7.5. Isoenthalpic Mixtures of Air Masses 
3.7.6. Mixing Mists 

3.8. Atmospheric Condensation by Adiabatic Ascent 

3.8.1. Saturation of Air by Adiabatic Rise 
3.8.2. Reversible Adiabatic Saturation Processes 
3.8.3. Pseudo-Adiabatic Processes 
3.8.4. Equivalent Pseudo-Potential and Wet-Thermometer Temperature 
3.8.5. Föhn Effect 

3.9. Atmospheric Stability 

3.9.1. Stability Criteria in Unsaturated Air 
3.9.2. Stability Criteria in Saturated Air 
3.9.3. Conditional Instability 
3.9.4. Convective Instability 
3.9.5. Analysis of Stabilities by Means of the Oblique Diagram 

3.10. Thermodynamic Diagrams 

3.10.1. Conditions for Equivalent Area Transformations 
3.10.2. Examples of Thermodynamic Diagrams 
3.10.3. Graphical Representation of Thermodynamic Variables in a T-ln(p) Diagram 
3.10.4. Use of Thermodynamic Diagrams in Meteorology  

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